北京理工大学は、3Dプリントの原料として使用できるグラフェンベースの複合材料を開発した。

Antarctic Bear は、ハイテク素材と 3D プリントを組み合わせると、どのような火花が生まれるのかをいつも考えています。グラフェンは、現在最も注目されている新素材の 1 つです。自然界で最も薄く、最も強い素材です。3D プリントできれば完璧です。これまでにも、PLA の性能を向上させて導電性を高めることができるグラフェンと PLA の混合材料を発売している企業もあります。そして、グラフェンスラリーを印刷できれば、さらに予想外の利益が得られるかもしれません。

周知のように、研究者らはグラフェンベースの材料をグラフェンフィルム、グラフェン繊維、グラフェンナノ粒子、グラフェンエアロゲル、グラフェン高密度多孔質マクロ体など、異なるマクロ形態の材料に加工するさまざまな方法を発見し、さまざまな分野での用途開発に尽力してきました。しかし、これらの方法のほとんどは、慎重に設計された複雑な調製プロセスや厳しい実験条件を必要とし、さらに加工や成形を行うのは比較的困難です。そのため、加工や成形が簡単で、合成も簡単なグラフェンベースの材料が見つかることが期待されています。

図1 GOP材料のマクロ、ミクロ形態および微細構造の模式図。北京理工大学のQu Liangti教授の研究チームは最近、グラフェン酸化物-ポリアニリン（GO-PANI、GOP）を主成分とするグラフェンベースの複合材料を報告しました。このGOP材料はパテ状で、極めて強い可塑性とある程度の流動性を有しており、あらゆる形状に容易に加工できます。例えば、金型押し出しにより精巧な模様が得られ、家庭用製麺機を使用して黒い「麺」にすることもできます（図2）。 GOP 材料の合成条件は穏やかで、プロセスは非常に簡単です。酸化グラフェン水溶液とアニリンを一定の割合で混合し、室温および常圧で一定時間撹拌し、余分な水を注ぎ出すと GOP 材料が得られます。

図2 GOP材料の押出成形と射出成形の例
GOP 素材は加工性が高いため、その応用範囲が大きく広がりました。たとえば、GOP 材料は細い針を通って流れることでより細い繊維を得ることができ、これは熱溶解積層法 (FDM) 3D 印刷技術に適したものになります。

同時に、GOP 材料は平面パターン化も容易に実現できます。合成プロセス中に酸化グラフェンとアニリンの使用比率を調整することにより、得られる GOP 材料は必要な流動性を持つことができます。アニリンの量を適切に減らすことで、GOP 材料はインクのような状態になり、その後、従来のスクリーン印刷技術を使用して、GOP 材料によって形成されたパターンを基板上に得ることができます (図 3)。

さらに、レーザー直接描画技術を使用することで、マスクなしで GOP 材料を基板上に均一に塗布し、パターン形成することができます (図 4)。この容易なパターン形成特性により、GOP 材料は電子デバイスでの使用が期待されており、基板の選択肢が多様であるため、GOP 材料はフレキシブルデバイスを含む新しい電子デバイスの製造にも使用できます。論文では、研究者らはヨウ化水素酸を使用してGOP中の酸化グラフェンをグラフェン（rGO）に還元しました。生成物は優れた導電性を示し、導電率は182 S·cm-1に達します。フィルム上にあらかじめ形成された GOP インターデジタルパターン (図 3) は、還元後にスーパーキャパシタの性能を発揮します。テスト結果によると、電流密度が 8.4mA·cm-2 の場合、この平面デバイスの比静電容量は 41.6mF·cm-2 です。

図 3 スクリーン印刷技術は GOP 材料のパターン形成に使用されます図 4 レーザー直接描画技術は GOP 材料のパターン形成に使用されます GOP 材料をさらに機能化し、その応用範囲を拡大するために、研究者は、磁場の作用下で特定の軌道に沿って移動できる磁性 Fe3O4 ナノ粒子を GOP 材料に添加しようとしました。 GOP 材料は、他の材料とさらに複合することで、より興味深く有用な特性を持つようになることがわかります。グラフェンベースの材料である GOP 材料は、合成が簡単で、処理技術が成熟しており、機能の拡張性に優れているため、将来のグラフェン応用市場で地位を占める可能性があります。

関連する研究結果は、有名な学術誌「Advanced Materials」にオンラインで掲載されました。（Y. Jiang、H. Shao、L. Qu*、他。多用途のグラフェン酸化物パテ状材料。先端材料。DOI:10.1002/adma.201603284。）

出典: エンカーボン情報

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